某型航空發(fā)動機滑油附件傳感器失效分析

陳犇

摘要：針對傳感器齒輪副產(chǎn)生磨損與掉塊的情況，對齒輪副進行宏觀和微觀組織形貌分析，結(jié)果表明，齒輪的材質(zhì)組織正常，從動齒輪掉塊性質(zhì)為起始應(yīng)力較大而擴展應(yīng)力較小的疲勞掉塊，從動齒輪的軸端內(nèi)孔局部表面存在軸向擠壓磨損痕跡，主動齒輪齒頂磨損嚴(yán)重且未發(fā)現(xiàn)疲勞特征，齒輪副磨損、掉塊的原因可能與運行時產(chǎn)生的配合異常有關(guān)。

關(guān)鍵詞：傳感器；齒輪副；磨損；疲勞；配合異常

Keywords：sensor；gear-pair；abrasion；fatigue；abnormal fit

滑油附件的作用是使發(fā)動機和飛機附件機匣滑油系統(tǒng)增壓管路中的滑油壓力保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。一架某型飛機在飛行過程中發(fā)現(xiàn)滑油流量壓力顯示異常，分解故檢后發(fā)現(xiàn)發(fā)動機滑油附件的N2傳感器的傳動齒輪副存在嚴(yán)重磨損和掉塊，阻礙了整個發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的正常運行，使?jié)櫥到y(tǒng)無法保持軸承、傳動齒輪等摩擦零件的正常溫度狀態(tài)，增大了磨損和摩擦損失。為摸清故障的形成機理，規(guī)避發(fā)動機的安全隱患，對傳感器的傳動副齒輪進行失效原因分析。

1 宏觀分析

故障齒輪副的裝配位置如圖1a）所示，主動齒輪安裝在滑油附件殼體內(nèi)，從動齒輪安裝在轉(zhuǎn)速表傳動殼體內(nèi)。故障齒輪外觀形貌如圖1b）所示，主動、從動齒輪輪齒均存在不同程度的磨損與掉塊，且從動齒輪周向側(cè)壁有磨損痕跡。

從動齒輪共有38個齒，其中33個齒存在明顯的掉塊現(xiàn)象，掉塊位置起伏較大，個別斷口局部區(qū)域較為平坦，平坦區(qū)所占面積較大，在平坦區(qū)可見明顯的放射棱線和疲勞弧線，如圖2a）中的3號齒；另外一部分?jǐn)嗫谄鸱^大、磨損嚴(yán)重，殘留的原始斷口上未見疲勞特征，如圖2a）中1、2、4號齒。33個掉塊齒的齒頂面均存在擠壓磨損痕跡，剩余的5個齒基本完整，磨損相對較輕。另外，在從動齒輪每個齒的齒底位置均存在接觸嚙合痕跡。

主動齒輪共有24個齒，每個齒的齒頂均被磨損掉一定的深度（約為0.5mm），在每個齒的齒頂大圓端面存在一小段原始的齒面。除此之外，24個齒中有5個齒可見掉塊特征，掉塊斷面起伏較大且有磨損現(xiàn)象，故無法判斷掉塊斷口上是否有疲勞特征（見圖2b））。在主動齒輪每個齒的齒底位置也均存在接觸嚙合痕跡。對從動齒輪的軸端剖口面進行檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔局部表面存在軸向擠壓磨損痕跡（見圖3）。

2 微觀分析

從動齒輪疲勞掉塊斷口典型形貌如圖4a）所示，其中A區(qū)為源區(qū)，B區(qū)為疲勞擴展區(qū)，裂紋向齒頂、齒根方向擴展直至最終斷裂，C區(qū)為瞬斷區(qū)。采集背散射電子圖像，各區(qū)元素分布均勻，無偏析、夾雜等冶金缺陷，如圖4b）所示。對源區(qū)A進一步放大觀察，源區(qū)存在明顯的放射棱線和嚴(yán)重的擠壓痕跡，從放射棱線的收斂位置可以判斷源區(qū)位于齒部表面，為線源，如圖4c）所示。擴展區(qū)B同樣存在擠壓磨損，但仍可見疲勞弧線和疲勞條帶，微觀形貌如圖4d）所示。瞬斷區(qū)C所占面積較小，位于齒部另一側(cè)表面的滲層區(qū)，斷口以沿晶斷裂為主，微觀形貌如圖4e）所示。從動齒輪齒頂面擠壓磨損、掉塊形貌如圖4f）所示。從動齒輪齒底面可見接觸嚙合痕跡，如圖4g）、圖4h）所示。對源區(qū)進行能譜成分分析，未見非基體元素，如表1所示。

主動齒輪齒頂位置磨損較為嚴(yán)重，對殘留的掉塊位置進行檢查，發(fā)現(xiàn)掉塊位置斷口起伏較大，局部存在明顯的擠壓磨損現(xiàn)象，對其放大后觀察，未見疲勞弧線特征，如圖5a）、圖5b）所示。主動齒輪輪齒底面可見明顯的接觸嚙合痕跡，如圖5c）所示。

如圖6所示，分別在從動和主動齒輪輪齒上切取金相試樣，腐蝕前觀察，未見材質(zhì)缺陷；腐蝕后觀察，從動、主動輪齒氰化層均勻，無間斷或脫碳現(xiàn)象，組織為隱針馬氏體+少量殘余奧氏體，中心組織為回火馬氏體，組織正常。從動輪氰化層深度為0.18mm，符合標(biāo)準(zhǔn)要求0.1～0.3mm，而主動輪齒氰化層已被磨損，厚度無法評判。

3 綜合分析

對N2傳感器主動和從動齒輪進行金相組織檢查，未見材質(zhì)缺陷，兩件齒輪的滲層組織和中心組織均符合要求，未見異常組織。對掉塊位置進行能譜分析，未見異常元素。由此可以確定，兩件齒輪的材質(zhì)正常，掉塊原因與材質(zhì)本身無關(guān)。

N2傳感器主動齒輪由于尺寸較小，齒數(shù)少，因此其轉(zhuǎn)速和受力頻率明顯高于從動齒輪。主動齒輪齒頂位置磨損較為嚴(yán)重，對殘留的掉塊位置進行檢查，發(fā)現(xiàn)掉塊位置斷口起伏較大，局部存在明顯的擠壓磨損現(xiàn)象，對其放大后觀察，未見疲勞弧線特征。對從動齒輪進行檢查，其掉塊斷口主要分為兩類：一類是可見疲勞弧線的疲勞斷口，該類斷口源區(qū)位于齒部表面，源區(qū)為線源，微觀形貌為韌窩特征，擴展區(qū)較為平坦，所占面積較大，疲勞弧線較多；另一類斷口擠壓磨損嚴(yán)重，原始斷口上未見疲勞特征。對從動齒輪的軸端剖口面進行檢查，在內(nèi)孔局部表面存在軸向擠壓磨損痕跡。另外，在兩件齒輪的齒底均發(fā)現(xiàn)有明顯的接觸嚙合痕跡。以上特征說明，N2傳動齒輪的嚙合可能出現(xiàn)異常。綜合分析認(rèn)為，齒輪磨損、掉塊的原因可能與主動和從動齒輪之間在運行時產(chǎn)生的配合異常有關(guān)。

4 結(jié)論

1）發(fā)動機滑油附件N2傳感器的主動、從動齒輪的材質(zhì)未出現(xiàn)異常。

2）N2傳感器從動齒輪掉塊性質(zhì)為起始應(yīng)力較大而擴展應(yīng)力較小的疲勞掉塊，主動齒輪齒頂磨損嚴(yán)重，掉塊位置未發(fā)現(xiàn)疲勞特征。

3）N2傳感器主動、從動齒輪的齒底位置均存在接觸嚙合痕跡，從動齒輪的軸端內(nèi)孔局部表面存在軸向擠壓磨損痕跡。

4）齒輪磨損、掉塊的原因與主動、從動齒輪之間在運行時產(chǎn)生的配合異常有關(guān)。